基于控制器主板設計的電磁兼容仿真計算

李 睿，官小莎

應用研究

基于控制器主板設計的電磁兼容仿真計算

李 睿1，官小莎2

(1. 武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064；2. 中國人民解放軍91458部隊，三亞 572021)

本文介紹了一種利用商用電磁兼容仿真軟件SIwave對Cadence所繪制的PCB板進行電磁兼容仿真的方法。

電磁兼容 PCB設計 Matlab仿真

0 引言

電磁兼容問題是硬件工作者在設計中需要優先考慮的問題。借由仿真軟件可以提前發現硬件設計中可能存在的電磁兼容問題。目前的電磁兼容仿真軟件主要有ANSYS，借由該仿真軟件對已有的PCB設計進行電磁兼容仿真，可以判斷出設計中的問題并加以修改。本文基于一種控制器PCB板的布板過程，經過ANSYS仿真逐步修改設計，以通過樣機電磁兼容測試。

1 控制板電磁兼容仿真

電磁兼容仿真主要包含5個模塊，分別是PCB輸出、仿真模型導入模塊、諧振仿真模塊、電源/地阻抗模塊、近遠場輻射分析模塊。這5個模塊層層遞進，相輔相承，關系圖如下圖1所示。

1.1 PCB輸出

本模塊為PCB繪制軟件輸出層文件和元件布局文件供SIwave處理，是后續電磁兼容仿真的基礎。

圖1 仿真結構圖

此模塊為軟件提供PCB板的基礎數據，軟件運行時所需要的數據來自此向導的輸出。同時，另外進行電磁兼容仿真時也必須對新的PCB繪制完成后，進行相應操作，以輸出*.anf與*.cmp文件。

本PCB模型輸出模塊的輸出是數據輸出的基本操作程序，包括新建項目的菜單欄（包括橫向和縱向兩個部分）、工具欄、操作欄、顯示窗口、控制窗口。不同的部分有不同的功能，涉及到本軟件需要調用的數據，具體的輸出項如表1所示。

表1 輸出項

1.2 仿真導入

該程序模塊的主要功能是建立計算模型。將PCB文件導入，進行Validation Check檢查，疊層結構設置，無源RLC修正等配置。通過檢查和配置操作，實現對目標仿真模型的初步建立。該程序是在Ansys SIwave平臺上搭建的。導入平臺后的計算模型如圖2所示

圖2 計算模型

1.3 諧振仿真

多層印制板設計中，電源層和接地層之間是傳輸介質層。傳輸介質層一般使用FR4，而電源平面和地平面通常用金屬導體鋪覆。如圖3所示。

圖3 PCB板電源/地平面結構圖

圖4 PCB板諧振及邊緣效應

電源平面可以拆分成若干電感和電容構成的網絡，如圖4所示。這種特殊的結構在一定的頻率下就會發生諧振現象，從而影響電源層的阻抗。同時存在邊緣效應，即引起邊緣反射和邊緣輻射現象。

根據諧振原理分析，在PCB設計時，需要對PCB進行諧振仿真分析。本控制板的諧振仿真結果見圖5。

1.4 電源/地阻抗仿真

為了有效降低電源到板上的芯片及去耦電容路徑上的電感，PCB板常常采用電源和地平面整片進行鋪銅處理的方法：即在中間層將電源平面及對應的地平面用銅鋪設到用電器件處，讓用電器件就近取電。一旦平面阻抗發生變化，會影響整體的供電系統穩定。PCB 板上的電源和地層相當于給整個電路板提供了一個電源分配系統（PDN），而這個供電系統可以用關系式表示為：

阻抗分析仿真結果主要以圖片展示仿真結果。見圖6

圖6 電源/地仿真結果

圖中，縱坐標為電源/地平面的阻抗值，橫坐標為頻率。由仿真結果可以看出，控制板的電源/地平面的阻抗基本在1 Ω附近振蕩，在幾個頻點處出現了峰值，當峰值超過了電源分配系統的目標阻抗，就可能影響系統的電源完整性，導致電磁輻射問題。

因此，在進行PCB設計時，應該對這些特定的頻點具備一定的敏感性，對于信號完整性要求較高的器件，在布線過程中應盡量避免其工作頻率與易產生阻抗峰值的諧振頻率相同。在本控制板的設計中，參照電源/地阻抗仿真結果對走線進行修改，有效降低了電源系統等效阻抗的震蕩峰值。

圖7 修改電路后電源/地仿真結果

根據圖6和圖7可以看出，在某些頻點處出現峰值時，會導致電壓波動較大。

通過以上分析和仿真結果可知，針對特定的 PCB板，可以通過仿真計算的方法提前預測板上各個部位的電源/地平面阻抗，為合理布線以及器件布局提供了參考，同時也為減小諧振頻點的阻抗，合理地運用去耦電容去耦提供了對照。

經過電路的修改，在電源/地之間增加去耦電容后，控制板在相應頻點處，電源/地阻抗情況得到很好改善。因此，通過電源/地阻抗仿真分析可以有效改善PCB板的電磁兼容特性。

1.5 近場/遠場電磁輻射

PCB 板的電磁輻射可能會造成嚴重的EMI問題，使EMC檢測不能通過，因此針對PCB板的整板輻射仿真分析十分重要，通過提前預知板上的輻射位置及輻射量值信息，采取相應的措施來抑制其輻射。

從信號特征的角度來看，周期信號的電路在PCB板上易產生較強的輻射，這是因為在信號的頻譜中，周期信號的頻譜是離散的，而隨機信號的頻譜是連續的，對于周期信號的頻譜而言，有大量的信號點集中在某幾個特定的頻點上，而隨機信號的頻譜則較為分散，頻帶較寬。因此，周期信號的能量主要集中在了個別頻點上，造成的輻射干擾也相對最強。

通過ANSYS軟件對控制板進行仿真，針對控制板電路的電磁輻射進行測量，可以觀察到產生大量輻射的點均為單一的頻點，這些頻點對應了某個頻點的基波及其各次諧波成分。在仿真中對PCB整板進行通電正常工作測試，記錄下此時的輻射強度波形圖，與控制板僅對時鐘信號通電的工況下的輻射強度波形進行對比，可以看出，雖然整板通電時，PCB板的工作輻射強度頻譜分布更寬，但是輻射強度卻和進時鐘通電時沒有太大的區別，如圖8所示。

圖8 PCB板整板通電（上）與僅時鐘信號通電（下）輻射對比

由仿真結果可知：PCB板上最容易產生EMI輻射的電路應該是周期信號電路，其中時鐘信號對于EMI輻射的影響最為明顯，在布線時應該重點關注時鐘信號的布線及周邊器件，采取一定的布線措施可以明顯降低整板EMI輻射。

根據遠場近場仿真分析的結果，對控制板的布局進行修改后，仿真的結果見圖9

圖9 近場仿真結果

2 結論

在控制板的PCB設計過程中，使用ANSYS軟件對控制板進行仿真，可以提前發現設計過程中電磁兼容無法通過的問題。通過仿真結果對PCB的布局進行修改，使其滿足電磁兼容試驗的要求，相對于EMC試驗現場對硬件進行修改，具有節省時間、問題點清晰，修改方便等優點。對控制板進行修改后，已經成功通過樣機的電磁兼容試驗。

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Electromagnetic compatibility simulation based on the controller board design

Li Rui1, Guan Xiaosha2

(1. Wuhan Chang Hai Electric Technology Development Co. Ltd, Wuhan 430064, China; 2. PLA-91458, Sanya 572021, China)

TN03

A

1003-4862(2022)04-0007-03

2022-02-15

李睿(1994-)，男，助理工程師。研究方向：開關電器。E-mail：1irui@whchdq.com.cn